在柳州会议上，胡志明和武元甲虽然同意周恩来的观点，但身在日内瓦的范文同却是一个固执己见的人，他对“七·五文件”有抵触情绪，认为该文件提出的谈判方案对越南革命不利。他主张以十四度线或十五度线作为军事分界线。由于范文同思想没有转过弯，所以他迟迟不按“七·五文件”的指示向法方提出新建议。而孟戴斯-弗朗斯6月17日组阁时许诺的“4周内若实现不了和平便辞职”的最后期限已经越来越近。美国在寻找机会破坏日内瓦会议，法国的主战派在施加压力，谈判随时可能破裂。
7月9日，周恩来抵达莫斯科。次日，与苏联领导人交换对日内瓦会议的意见。鉴于美国正千方百计地拉拢法国的主战派，对孟戴斯-弗朗斯施加压力，企图破坏日内瓦会议，中苏双方一致认为：应该提出公平合理的、为法国新政府所能接受的、简单明确的条件，排除美国的干扰和破坏，争取迅速达成恢复印度支那和平的协议。当晚，周恩来致电毛泽东、刘少奇并转胡志明，介绍与苏联领导人会谈的情况，并指出：“现在从各方面看来，以十六度为界，再加上土伦港供法方暂时使用和九号公路容许老挝进出的条件，是大体可以达成协议的。”
7月12日下午，周恩来回到日内瓦。他立刻召集中国代表团开会，听取留在日内瓦的代表团副团长李克农的汇报。李克农介绍了范文同对印度支那形势的分析和判断后，张闻天说：范文同在思想中对越盟的力量估计过高，特别是对奠边府战役的胜利估计过高，认为越盟已经取得决定性胜利，法军很难再打下去，所以不肯作让步，总想要法国多作让步。张闻天还批评范文同有“印支联邦”的思想，说他不善于区别人民革命与民族解放斗争是两种不同性质的斗争。张闻天指出：“革命是不能输出的”，用越盟的外来力量在老挝和柬埔寨进行人民革命是不行的，只有靠本国人民的自觉自愿起来革命，赶走法国帝国主义和推翻王国政府，革命才能成功。张闻天建议周恩来好好做范文同的工作，弄通他的思想，推动谈判前进。周恩来表示：他同意张闻天关于“革命不能输出”的观点，并支持张闻天对范文同“印度支那联邦”思想的批评。
老挝和柬埔寨的抵抗运动代表是作为越南民主共和国代表团的成员、持越南护照，去日内瓦参加会议的。越南民主共和国代表团中的老挝抵抗运动代表是诺哈（Nouhak），柬埔寨抵抗运动的代表是梅福（Mey Pho）和高莫尼（Keo Moni）。会议刚开始时，越南民主共和国代表团主张由这些抵抗运动人物代表老挝和柬埔寨出席会议，但越方的建议遭到西方国家的反对，他们力挺老挝和柬埔寨王国政府派去的代表。后来，在周恩来的说服下，越南民主共和国代表团放弃其原先主张，愿意同老挝和柬埔寨王国政府的代表谈判。当时，亚洲的很多中立国家，包括印度、缅甸、印度尼西亚，也反对越南用控制老挝和柬埔寨的抵抗运动的方法来控制那两个国家，反对越南建立“印度支那联邦”的做法。
周恩来、张闻天等中国领导人对越南领导人“输出革命”和“印度支那联邦”思想的批评，表明中越双方对印度支那战争结束后该地区战略格局看法的分歧。就像法国殖民当局一贯将印度支那三国视为一块完整和有机的战略区一样，越共领导人长期视印度支那三国为一个完整和统一的革命区。1930年，胡志明成立共产党组织时，称他的党为“印度支那共产党”，而不是“越南共产党”。“印度支那共产党”负责领导和组织印度支那三国的革命运动，党内下设老挝和柬埔寨支部。1945年11月，出于巩固新生政权、赢得其他党派支持、争取国际承认等多种原因的考虑，胡志明暂时“解散”印度支那共产党，而另行组织“印度支那马克思主义研究会”，原党组织转为底下活动。1951年，胡志明恢复他的党的公开活动，改称越南劳动党，原印度支那共产党中的老挝和柬埔寨支部分别独立出去。虽然胡志明的党不再叫“印度支那共产党”，但它仍在实际操作中控制和指导老挝和柬埔寨的共产主义运动。中共领导人认为：一个国家的革命应该植根于本国自己的土壤，应该依赖本国民众自发的革命愿望，而不是依赖外来的革命输入。他们不赞成越南包办代替老挝和柬埔寨的革命。他们实际上认为：越南在处理老挝和柬埔寨问题上，犯了“大国沙文主义”错误。在日内瓦会议期间，周恩来抵制越南操纵和控制老挝和柬埔寨的作法，是导致日后中越关系恶化的一个原因。
7月12日，周恩来结束了中国代表团会议后，又马不停蹄于当日下午会见莫洛托夫，向莫洛托夫通报他打算找范文同详谈，敦促范文同提出新谈判方案，给孟戴斯-弗朗斯一点资本，以对抗美国国务卿杜勒斯破坏日内瓦会议的阴谋。莫洛托夫完全同意和支持周恩来的想法。在取得了与苏联代表团的共识后，周恩来当晚与范文同彻夜长谈，向他说明中、苏、越三国党中央所商定的恢复印度支那和平问题的一致意见：主动、积极、迅速、直截了当地解决问题，在不损害基本利益的前提下，作个别让步，以求达成协议。周恩来还以朝鲜战争为例，说明美国干涉的严重性和危险性，结合中国抗日战争中“皖南事变”的教训和日本投降后我及时撤出苏南以加强东北和山东的经验，阐述了退与进的辩证关系。他劝范文同不要在十六度线、十七度线上计较，给孟戴斯-弗朗斯一点面子，换取法国军队的撤出是很合算的，“法国撤出，全越南都是你的”。周恩来的一番旁征博引、权衡利弊、循循善诱的肺腑之言最终说服了范文同，他同意第二天按“七·五文件”的精神向法国提出以十六度线作为分界线的新建议。
范文同态度的改变使周恩来大大松了一口气。据当时中国代表团成员钱嘉东的回忆，为了说服越南代表团，周恩来做了“极其复杂艰巨”的工作，“跟越南代表团在别墅的花园里一圈一圈地绕着走，边走边谈。这个花园有多大？我没法讲出一个范围，大概走一圈得要半个小时到40分钟。一边走，一边说话，谈一次要数小时，要走多少路？”
7月13日上午，周恩来出席中国、苏联、越南三国代表会议，一致认为：为了使孟戴斯-弗朗斯在回巴黎同杜勒斯会谈前有和平解决印度支那问题的稳妥把握，便于他坚持立场，抵制美国的压力，拒绝美国的过分要求，在越南十六度线划分集结区的方案在他口气有松动时就应提出。随后，周恩来又在范文同与孟戴斯-弗朗斯会谈前，会见孟戴斯-弗朗斯，就其仍坚持十八度划界，认为法国撤出的是经济、政治、人口都很重要的地区一事说，目前，法越双方都应再作努力，互相让步，求得达成协议。并说明：越南民主共和国在越南中部和越南南部与当地人民有着密切的联系，它要从这些面积很大的地区撤退，需要很大力量，进行解释也需要时间，法方应该了解这些情况和越方的困难。如果法方肯在原有立场上前进一步，越南是愿以更大的一步来迎接法国的让步的。7月20日，范文同与孟戴斯-弗朗斯终于就越南划分集结区问题达成协议，双方部队集结区以北纬十七度线以南、九号公路以北约20公里的贤良河为界。7月21日，恢复印度支那和平的一系列协定在日内瓦签订，日内瓦会议结束。
根据师哲的回忆，在日内瓦协定最后签字时，还发生一个小插曲，反映出越南人的民族自尊心。师哲说：“越南问题达成协议，签字时间定于1954年7月20日晚上。到了签字的时刻，越南民主共和国代表团却又有不同意见，一直拖到7月21日才签字。中国代表团不参加签字，只有苏、英两位会议主席参加。我们一直在莫洛托夫住处等他回来，想了解签字情况，午夜过后，莫洛托夫回来了。周恩来问他发生了什么事，有什么问题？莫洛托夫说：哎，越南同志非把签字拖至7月21日，小国，民族自尊心强，总想表示我不是跟着你们大国跑。”
周恩来的灵活和务实外交，成功地打破了越法双方在从印支三国撤出外国军队、越南军事分界线划分等重大问题上的僵局，扫除了谈判道路上的重重障碍，为“日内瓦协定”的最终签订，作出了巨大的贡献。在日内瓦会议上，周恩来将原则性和灵活性有机结合，高屋建瓴，审时度势，根据现实情况及时调整政策。他的聪明睿智、他的外交才华、他对问题的敏捷反应、他的缜密思考和周全安排，他的忘我工作，都赢得了很多与会代表的由衷赞叹和钦佩。印度支那问题的和平解决，缓和了国际紧张局势，打破了美国企图直接干涉印度支那的计划，避免了中美再次兵戎相见的可能。
在日内瓦会议上，越南劳动党领导人迫于中国和苏联的压力，不得不接受北纬十七度线作为军事分界线，停止战争。他们清楚地知道：没有中国和苏联的支持，面对美国的阻挠，统一越南的斗争将会更加漫长、更加艰巨。越南方面尚未公布1954年日内瓦会议期间的外交档案，我们无从得知当时越南劳动党领导人在内部是如何表述他们对中苏政策的看法的。但从日后越南政府发表的材料看，越方对中苏的做法是有怨言的。1976年，越南外交部编写了两卷本的《作为人民民族民主革命一部分的外交斗争（1945-1954）》一书，其中回顾了1954年日内瓦会议。在论述中苏对日内瓦会议的态度时，该书指出：中国和苏联都希望与美国缓和，结束印度支那战争，在这个问题上，中国比苏联更迫不及待，中国甚至愿意接受整个越南和印度支那的中立化，因为当时中国的总体战略是要在中国四周建立和扩大缓冲区，包括南亚和东南亚的中立区，以此来推动国际缓和，推动中美谈判（指1955年开始的中美大使级谈判）。
帮助越南战后重建
1954年日内瓦会议结束后，中国帮助越南民主共和国恢复战后经济，重建遭受战争破坏的家园。周恩来经常为越南民主共和国恢复经济献计献策，并安排中国对越南民主共和国的经济、技术援助。1954年10月8日，周恩来致电中国驻越南民主共和国大使罗贵波、中国驻越南民主共和国总顾问方毅、中国驻越南民主共和国副总顾问乔晓光：向越南民主共和国政府建议在处理越、法双方的经济关系时，“总的原则是，遵守停战协定及其附件，保持独立主权，照顾统一战线，照顾将来统一，并要结合恢复经济，稳定市场物价，医治战争创伤通盘考虑”。坚持独立自主原则，无疑应该适用于解决一切经济关系，但“在收回主权时，应采取有计划、有步骤、分别轻重、逐步实现的方针”。首先，“货币发行必须统一，进出口管理、外汇管理以及有关我们整个的经济命脉的方面必须坚持越方的管制权，而且目前在执行上又必须适当照顾对方企业和商人的积极性”。
1955年1月1 8日，周恩来在审改一份中共中央致罗贵波、韦国清、方毅的电文时指出：“下列各点请告胡主席和劳动党中央：（1）对越南的物资及技术援助不能也不应由中国全包，当然，中国会尽自己的能力来援助越南的。（2）向苏新国家（指苏联和东欧新民主主义国家）提请援助，毫无疑问地应由越南政府和劳动党自己出面向苏新国家提出。（3）各国对越南援助，应由越南方面根据自己的需要和估计对方的可能，提出要求援助的项目和数额，才好进行磋商。（4）为商量中国对越南的援助问题，中共中央邀请劳动党中央和胡主席指派一领导同志率领必要干部飞北京和中共中央面谈。在来北京之前，请劳动党中央根据农业、交通、工业、贸易、军事、文教等方面的需要，按照恢复和发展国民经济的方针，以大约五年的期限，准备好一个要求援助的计划，内中包括援助项目、技术和金额。”
